基于GPS的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郭濤 郝亮 曹景勝 王群 于繼開(kāi)

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院）

汽車(chē)性能評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)就是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS)能夠保證汽車(chē)的安全性與穩(wěn)定性，受到越來(lái)越多汽車(chē)廠商的青睞。由于全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量精度不斷提高和發(fā)展，將GPS信息融入汽車(chē)EPS中，針對(duì)GPS測(cè)量信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將處理所得數(shù)據(jù)通過(guò)電子控制單元計(jì)算出控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪的主動(dòng)控制，達(dá)到增強(qiáng)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的目的，因此在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中引入GPS技術(shù)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制發(fā)展的趨勢(shì)[1]。文章設(shè)計(jì)了基于GPS技術(shù)的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模擬系統(tǒng)。

1 GPS簡(jiǎn)介及在EPS中的應(yīng)用

本系統(tǒng)以GPS芯片作為核心，輔以外圍電路組成下位機(jī)控制器，將采集到的GPS衛(wèi)星信息通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，在電腦端編寫(xiě)VC++軟件接收GPS數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件策略動(dòng)態(tài)顯示汽車(chē)3D模型隨著GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)變化而實(shí)現(xiàn)左右主動(dòng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)基于GPS的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模擬系統(tǒng)功能。

1.1 GPS簡(jiǎn)介

GPS是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣的測(cè)距、授時(shí)及導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其導(dǎo)航定位的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正及大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50 b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

可見(jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接收機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x，y，z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt，即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程求解這4個(gè)未知數(shù)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。

1.2 GPS在EPS中的應(yīng)用

由于在多方面因素的影響下，非特許GPS用戶的三維位置測(cè)量精確度只能達(dá)到100m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足汽車(chē)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性測(cè)量的要求，所以在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中一般使用差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)（DGPS）。DGPS是在正常的GPS外附加（差分）改正信號(hào)，此改正信號(hào)改善了GPS的精度。DGPS技術(shù)消除了星鐘誤差、星歷誤差和接收機(jī)時(shí)鐘差，大大提高了測(cè)量精度。具有高速率數(shù)據(jù)輸出和采樣、低速率延遲及快速信號(hào)重捕等優(yōu)勢(shì)，能夠使數(shù)據(jù)達(dá)到毫米級(jí)處理精度，滿足了汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)精度的要求[2]。其測(cè)量原理圖，如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)

本模擬系統(tǒng)使用GPS芯片作為控制器核心，實(shí)時(shí)取得GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS232串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，電腦端軟件應(yīng)用程序根據(jù)接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析出汽車(chē)的經(jīng)緯度等信息，根據(jù)這些信息的實(shí)時(shí)變化來(lái)判斷汽車(chē)進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向的意圖，并模擬汽車(chē)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。其系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。

GPS芯片采用NEQ-5Q主芯片，其為多功能獨(dú)立型GPS模組，以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，成本低，體積小，采用最新的kickstart微弱信號(hào)攫取技術(shù)，能確保采用此模組的設(shè)備在任何可接收到信號(hào)的位置都能快速定位。其最小系統(tǒng)原理圖，如圖4所示。

電源模塊主要是將外部直流電壓穩(wěn)壓為系統(tǒng)中使用的電壓，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電源部分主要使用3.3 V直流電壓，因此本設(shè)計(jì)使用直流穩(wěn)壓芯片（AMS1117-3.3芯片）來(lái)得到3.3 V電壓。AMS1117系列芯片為低壓差芯片，當(dāng)該芯片提供1 A輸出電流時(shí)其工作壓差可降低至1 V，穩(wěn)壓效果良好[3]。該設(shè)計(jì)中電源部分電路原理圖，如圖5所示。

GPS上電后，每隔一定的時(shí)間就會(huì)返回一定格式的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)中必須將GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)傳送到電腦端來(lái)進(jìn)行接收、解析和處理，然后使模擬軟件上的汽車(chē)3D模型進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向。故在本設(shè)計(jì)中使用RS232來(lái)與電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其電路原理圖，如圖6所示。

當(dāng)GPS模塊斷電后，其內(nèi)存中的當(dāng)前數(shù)據(jù)不保存，且再次上電時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，故在本硬件設(shè)計(jì)中添加后備電池電路，后備電池可在GPS模塊斷電后保存當(dāng)前的星歷數(shù)據(jù)，2 h之內(nèi)再次啟動(dòng)GPS模塊，可實(shí)現(xiàn)1 s快速定位。其電路原理圖，如圖7所示。

考慮到GPS模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的狀態(tài)及接收時(shí)間間隔，在本硬件設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)指示燈電路，用于進(jìn)行調(diào)試和觀測(cè)。其電路原理圖，如圖8所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要使用VC++來(lái)開(kāi)發(fā)電腦端模擬軟件，通過(guò)串口接收GPS控制板傳送過(guò)來(lái)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（這里主要是GPRMC數(shù)據(jù)），然后解析和處理，根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化來(lái)模擬汽車(chē)3D模型的轉(zhuǎn)向。

GPS模塊每隔一定時(shí)間接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為“$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x”，其信息類型主要包括：可見(jiàn)衛(wèi)星信息（GPGSV）、地理定位信息（GPGLL）、推薦最小定位信息（GPRMC）、地面速度信息（GPVTG）、GPS定位信息（GPGGA）及當(dāng)前衛(wèi)星信息（GPGSA）等。

本軟件設(shè)計(jì)中，主要是接收GPRMC數(shù)據(jù)并解析。GPRMC數(shù)據(jù)格式為：$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1>UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式

<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位

<3> 緯度ddmm.mmmm(度分)格式

<4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)

<5> 經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式

<6> 經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))

<7>地面速率(000.0～999.9節(jié))

<8>地面航向(000.0～359.9度)

<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式

<10>磁偏角(000.0～180.0度)

<11> 磁偏角方向，E(東)或 W(西)

<12>模式指示(A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效)

由于串口在主線程中讀取數(shù)據(jù)的速率比較慢，會(huì)阻塞主線程中處理主窗體的消息隊(duì)列[4]，因此在串口通訊程序設(shè)計(jì)中采用多線程進(jìn)行編程，在串口CPSerial-Port類之上封裝CComFun類，更方便數(shù)據(jù)讀取等。在打開(kāi)串口的同時(shí)創(chuàng)建接收線程：m_pSerial_Port=new CPSerialPort();if(m_pSerial_Port->OpenPort(_T("COM2:"),96000,8,ONESTOPBIT,NOPARITY,OnSerialRead,this))m_pSerial_Port->Activate();

本系統(tǒng)模擬軟件界面，如圖9所示。

5 結(jié)論

使用GPS控制器將采集到的GPS衛(wèi)星信息通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，在電腦端編寫(xiě)VC++軟件接收GPS數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件策略動(dòng)態(tài)顯示汽車(chē)3D模型隨著GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)變化而實(shí)現(xiàn)左右主動(dòng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)基于GPS的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模擬系統(tǒng)功能。本樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試達(dá)到了研發(fā)的目的和效果。